KR101321125B1

KR101321125B1 - 미세채널을 가진 대면적 초박막 금속분리판의 제조장치 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR101321125B1
Application number: KR1020120048743A
Authority: KR
Inventors: 강충길; 정민근
Original assignee: 부산대학교 산학협력단
Priority date: 2012-05-08
Filing date: 2012-05-08
Publication date: 2013-10-23

Abstract

본 발명은 미세채널을 가진 대면적 초박막 금속분리판의 제조장치 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 스테인레스강 등의 금속박판을 스탬핑 공정과 동하중 스탬핑 공정, 그리고 탄성체금형을 이용한 드로우벤딩 및 크래쉬포밍 공정을 이용하여 금속박판을 롤러로 이송시켜 미세채널을 가지는 금속분리판을 연속적으로 생산할 수 있는 제조장치 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 금속박판을 제품제조를 위하여 프레스장치(19)로 이동하고 금속박판(4)의 평탄도를 제어하는 입구 이송 및 평탄도 제어용 롤러(5); 상기 롤러를 통해 프레스장치(19)로 이송된 금속박판(4)을 입·출구에서 장력을 제어하는 장력 제어용 롤러(6,13); 장력 제어된 금속박판(4)을 변형이 일어나지 않도록 고정시켜주는 블랭크홀더(2); 프레스장치(19)로 이송된 금속박판(4)을 이용하여 제품성형을 위하여 사용하는 유압식 프레스장치; 동적 재료시험 프레스장치; 상기 프레스장치(19)에 설치되고 제품성형에 사용하는 드로우벤딩용 상부금형(7); 크래쉬포밍용 상부금형(18); 상기 프레스장치(19)에 설치되고 블랭크홀더(2)와 함께 금속박판(4)을 고정시켜주며, 탄성체금형(9)을 구속하는 리테이너(3); 상기 리테이너(3)에 구속되고 제품성형에 사용하는 탄성체금형(9); 상기 프레스장치(19)에서 성형된 금속분리판(21)을 연속적으로 제조하기 위하여 트리밍 프레스장치(20)로 이동시키는 출구 이송롤러(22); 상기 롤러를 통해 트리밍 프레스장치(20)로 이송된 금속분리판(21)을 잘라내는 트리밍 프레스장치(20); 상기 트리밍 프레스장치(20)에 설치되고 제조된 금속분리판(21)의 불필요한 테두리 등을 잘라내고 필요한 홀 등을 가공하는 트리밍프레스 상부금형(16) 및 하부금형(17)을 구비하는 것이 특징이 있다.

Description

미세채널을 가진 대면적 초박막 금속분리판의 제조장치 및 이의 제조방법{Continuous fabrication method of with micro channel bipolar plate for lage area}

본 발명은 미세채널을 가지는 대면적 금속분리판의 제조방법 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 스테인레스강 등의 금속박판을 드로우벤딩 및 크래쉬포밍 연속 고무성형 공정을 이용하여 금속박판을 롤러를 통해 이송시켜 미세채널을 가지는 금속분리판을 연속적으로 생산할 수 있는 제조장치 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

연료전지(Fuel cell)는 환경의 문제가 적고 다양한 연료를 사용할 수 있으며 다양한 발전 용량의 제작이 가능하며 높은 발전 효율을 갖는 등 많은 장점을 가지고 있다.

연료전지는 연료(수소)의 화학에너지가 전기에너지로 직접 변환되어 직류 전류를 생산하는 능력을 갖는 전지로서, 종래의 전지와는 다르게 외부에서 연료와 공기를 공급하여 연속적으로 전기를 생산한다. 연료전지의 기본 개념은 수소와 산소의 반응에 의하여 생성되는 전자를 이용하는 것이며, 수소는 전기 화학적으로 산소와 반응하여 물을 생성하면서 전극에 전류를 발생시킨다. 전자가 전해질을 통과하면서 직류 전력이 발생되며, 열도 부수적으로 생산된다. 직류 전류는 직류 전동기의 동력으로 사용되거나 인버터에 의해 교류 전류로 바꾸어 사용된다. 연료전지에서 발생된 열은 개질(改質)을 위한 증기를 발생시키거나 냉·난방 열로 사용될 수 있으며, 사용되지 않을 경우에는 배기열로 배출된다.

상기 연료전지는 근본적으로 같은 원리에 의해서 작동하지만 연료의 종류와 작동 온도, 촉매와 전해질에 따라서 고분자전해질 연료전지(PEMFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체산화물 연료전지(SOFC), 직접메탄올 연료전지(DMFC) 등으로 구분되어진다.

이러한 연료전지가 상용화되기 위해서는 성능이 확보된 스택의 가격을 낮추고 성능을 높이는 방안을 마련해야 한다.

연료전지 스택은 막전극 접합체(MEA, Membrane Electrode Assembly), 가스확산층(GDL, Gas Diffusion Layer), 분리판(Bipolar Plate)으로 구성되어 있으며, 그 중 분리판은 수소와 산소가 흐를 수 있는 채널이 형성된 구조로서, 연료전지의 적층시 각각의 단위전지를 분리해주고, 접합체의 지지체 역할을 하며, 수소와 산소가 흐를 수 있는 경로로 사용되는 역할을 하게 된다.

상기 분리판은 연료전지의 높은 효율을 위해 분리판에 의한 전압 손실이 최소화되어야 하므로 전기 전도도가 좋아야 하며, 연료가스들의 누설은 안정성 및 효율에 직접적인 연관이 있으므로 공급되는 수소와 공기의 흐름을 완벽히 분리해야 되며, 좋은 내부식성을 가져야 하며, 충분한 기계적 강도를 가져야 하고, 가격 경쟁력을 위해 생산성이 높아야 한다.

따라서, 상기 분리판의 미세채널 깊이와 폭 등의 구조적인 인자가 연료전지의 성능측면에 크게 영향을 미치는 중요한 기술요소라 하겠다.

열교환기는 지역난방의 난방 및 급탕용수 열교환, 열병합 발전소의 응축수 및 공급수 처리, 자동차용 공조기, 화학공정에서 유기용액의 가열 및 냉각, 섬유 및 제지 산업에서 냉각 및 건조, 식품의 살균 및 열처리, 해상 및 육상용 기관의 냉각장치, 가스보일러의 급탕수 가열, 산업체의 폐열 회수 등 거의 모든 장치 산업분야에서 효율적인 에너지 관리를 위해 필수적으로 사용해 오고 있다.

상기 열교환기는 어떤 형태의 열교환기를 선정하고 또한 사용하느냐에 따라서 해당 분야의 에너지 관리 비용 측면과 유지보수 비용 측면 등에서의 차이가 두드러지게 나타난다.

최근에는 쉘앤튜브형이 판형에 비해 효율과 온도의 근접성, 제작방법, 제작단가, 열교환 능력 등 제작 및 성능면에서 떨어지며, 유체를 사용한다는 열교환기의 특성상 오염에 강하고, 오염시 세척이 용이한 조립식 판형 열교환기가 선호되는 추세이다.

판형 열교환기는 열전달 효율이 높고, 구조가 간단하며, 소형 경량으로 만들 수 있고, 유지가 관리가 간편하기 때문에 매우 다양한 분야에 이용되고 있다.

일반적으로 판형 교환기는 가열 유체와 피가열 유체를 교차시켜 열전달을 유도하는 장치를 말하며, 냉난방용 히트 펌퍼 등에 주로 사용된다.

그러나 종래의 판형 열교환기는 열전달 효율을 올리기 위하여 많은 수의 전열판을 사용하고 복잡한 유로 형상을 이용하므로 제작하는 비용이 비싸다는 문제점이 존재하며, 종래의 셀앤튜브를 이용한 관형 열교환기 역시 제작비용이 비싸다는 문제점이 존재한다.

상기 판형 열교환기용 전열판은 유체가 통과하는 통로를 만들어 주고, 전열판에 형성된 유로의 형상은 유체의 흐름을 난류로 만들어 주며, 두 유체간의 압력차에 대해 판을 지지해 주는 역할을 한다.

상기 판형 열교환기의 특성상 전열판의 원소재는 고강도의 스테인레스강이나 티타늄 합금 계열 소재를 적용하기 때문에 전열판 성형 자체가 난성형 공정이다.

한편, 현재까지 연료전지용 금속분리판과 판형열교환기용 전열판을 제작하기 위한 공정으로는 상부금형과 하부금형을 이용한 스탬핑 제작 공정이 많이 연구되어 왔다.

이러한 스탬핑 공정은 금속박판을 성형하는데 많은 장점을 가지지만, 상부금형과 하부금형에 형성되어진 패턴의 치수정밀도에 따라 금속분리판 및 전열판의 형상 정밀도가 좌우되고, 상부금형과 하부금형을 모두 제작하게 되어 높은 금형제작비가 발생하게 된다.

또한, 스탬핑 공정은 대면적 금속분리판 및 고강도 전열판을 제작하는데는 매우 높은 하중이 요구될 뿐만 아니라, 균일한 미세채널 제작을 위한 압력제어로 인하여 생산속도 또한 현저히 떨어진다는 단점이 있다.

따라서, 탄성체금형을 이용한 성형공법은 패턴을 상부금형에만 형성시켜 성형품의 정밀도를 향상시킬 수 있고, 제품제조를 위한 상부금형만 제작하면 되어 금형제작비를 현저히 줄일 수 있게 된다.

또한, 낮은 성형하중을 적용하여 반복적인 동적하중의 제어로 금속분리판 및 고강도 전열판의 성형성을 향상시킬 수 있다.

KR 10-1022153 B1 2011.03.17. KR 10-0760312 B1 2007.10.04.

이에 본 발명자는 연료전지 분리판 및 판형열교환기 전열판 등으로 사용할 수 있는 대면적 초박막 금속분리판을 연속적으로 제조할 수 있도록 한 것으로서, 본 발명에서는 밀폐되어진 리테이너 내부에 설치된 탄성체금형의 정수압을 이용하여 미세채널을 가진 대면적 초박막 금속분리판을 염가에 대량 생산할 수 있게 함에 기술적 과제를 두고 본 발명을 완성한 것이다.

과제 해결 수단으로 본 발명의 탄성체 프레스 금형을 이용한 대면적 초박막 금속분리판의 제조방법은 금속박판을 입구이송 및 평탄도 제어용 롤러를 이용하여 프레스장치로 이송하는 금속박판 이송단계; 상기 프레스장치로 이송된 금속박판을 입·출구 장력 제어용 롤러를 통해 금속박판이 느슨해질 경우 회전시켜 텐션을 조절하며, 상부금형을 이용하여 금속박판을 압착하고, 탄성체금형의 반발력에 의하여 금속박판을 가압 성형하는 성형단계; 가압 성형된 금속박판을 출구 이송 롤러를 이용하여 트리밍 프레스장치로 이송하는 트리밍 프레스장치로 이송단계; 상기 출구 이송 롤러를 통해 이송된 금속박판을 트리밍 프레스장치를 이용하여 잘라내는 절단단계;를 포함하였다.

또한 본 발명에서는 동일한 직경으로 상부와 하부에 나란히 설치되어 금속박판의 평탄도를 제어하고 금속박판을 프레스장치로 이송하도록 설치된 입구 이송 및 평탄도 제어용 롤러와; 하부에는 베드 상측으로 리테이너와 상·하로 승강되도록 하부실린더에 하부리테이너 및 탄성체금형을 설치하고, 상부에는 메인실린더에 의해 승강하는 상부금형과 클램프실린더에 의해 승강하는 클램프를 구성하여 금속박판을 가압 성형하는 프레스장치와; 금속박판을 가압 성형한 후 트리밍 프레스장치로 원활히 이송될 수 있도록 구성된 출구 이송 롤러와; 상부에는 트리밍프레스 메인실린더에 의해 승강하는 트리밍 상부금형을 구성하고, 하부에는 트링밍프레스 하부금형을 설치 구성하여 가압 성형된 금속박판가 이송되어 일정한 형태로 절단하는 트리밍 프레스장치;로 이루어지게 구성하였다.

또한 본 발명에서는 동일한 직경으로 상부와 하부에 나란히 설치되어 금속박판의 평탄도를 제어하고 금속박판을 프레스장치로 이송하도록 설치된 입구 이송 및 평탄도 제어용 롤러와;

하부에는 베드 상측으로 리테이너와 하부실린더에 의해 승강하는 금속박판에 미세채널이 형성되도록 상부 표면에 돌기를 형성한 스탬핑용 하부금형을 설치 구성하고, 상부에는 메인실린더에 의해 승강하는 상부금형과 클램프실린더에 의해 승강하는 클램프를 구성하여 금속박판을 가압 성형하는 프레스장치와; 금속박판을 가압 성형한 후 트리밍 프레스장치로 원활히 이송될 수 있도록 구성된 출구 이송 롤러와; 상부에는 트리밍프레스 메인실린더에 의해 승강하는 트리밍 상부금형을 구성하고, 하부에는 트링밍프레스 하부금형을 설치 구성하여 가압 성형된 금속박판가 이송되어 일정한 형태로 절단하는 트리밍 프레스장치;로 이루어게 구성하였다.

그리고 본 발명에서 상기 프레스장치(19)에 설치되고 금속분리판(21)을 제조하는 상부금형(7,18)의 설계는 유로폭(0.3㎜~5.0㎜), 리브폭(0.3㎜~5.0㎜), 유로깊이(0.2㎜~5.0㎜), 어깨부곡률(0.1㎜~0.3㎜), 구배각(10˚~30˚)의 크기로 설정하여 패턴의 미세채널을 형성하였다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

본 발명에 의하면, 탄성체 프레스 금형을 이용한 대면적 초박막 금속분리판의 연속 제조방법으로서, 금속박판이 입구 이송 및 평탄도 제어용 롤러를 통해서 프레스장치로 이송되고, 탄성체금형에 의한 압착 성형이 금속분리판을 제조하며, 출구 이송 롤러를 통해서 트리밍 프레스장치로 이송되어 금속분리판 제조가 연속적으로 진행되도록 함으로써, 금속 분리판의 대량생산이 가능하고, 동하중(動荷重) 스탬핑 공정을 통해 낮은 하중에서도 미세패턴의 정확도 및 균일도를 확보할 수 있다.

밀폐된 리테이너 내부에 설치된 탄성체금형의 정수압을 이용하여 대면적 미세채널을 가진 초박막 금속분리판을 제조할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하여 구성되는 성형 시스템은 다양한 초박막 금속분리판 제조에 적용이 가능하다.

도 1은 본 발명의 드로우벤딩 타입 연속 탄성체금형 성형 공정의 시스템 구성도
도 2는 본 발명의 드로우벤딩 타입 프레스 성형에 따른 금속분리판의 제조방법을 나타내는 공정도
도 3은 본 발명의 탄성제금형을 이용한 대면적 초박막 금속분리판의 연속 제조방법에 대한 순서도
도 4는 본 발명의 크래쉬포밍 타입 연속 탄성체금형 성형 공정의 시스템 구성도
도 5는 본 발명의 크래쉬포밍 타입 프레스 성형에 따른 금속분리판의 제조방법을 나타내는 공정도
도 6은 본 발명의 드로우벤딩 타입 동하중 연속 성형 공정의 시스템 구성도
도 7은 본 발명의 크래쉬포밍 타입 동하중 연속 성형 공정의 시스템 구성도
도 8은 금속박판의 평탄도를 제어하고 프레스장치로 이송시키는 롤러장치의 개요도
도 9는 금속분리판의 미세채널을 파손시키지 않고 소재를 이송시키는 롤러장치의 개요도
도 10은 성형된 금속분리판을 트리밍프레스를 이용하여 불필요한 테두리를 잘라내어 정형하는 제조방법을 나타내는 공정도
도 11은 본 발명의 탄성체금형을 이용한 성형공정에 따른 금속분리판의 제조방법을 나타내는 공정도
도 12는 본 발명에 따른 금속분리판의 제작시 동하중에 의하여 금속박판이 점진적인 성형이 이루어짐을 나타내는 공정도
도 13은 금속분리판을 나타내는 평면도 및 단면도

이하에서는 첨부 도면에 도시된 실시예에 기초로 하면서 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명하기로 한다.

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 드로우벤딩 타입 탄성체금형 연속 성형공정을 이용한 금속분리판 제조장치를 설명하기 위한 도면이다.

본 발명에서 제공하는 드로우벤딩 타입의 프레스장치 구성을 살펴보면 도 1에 도시된 바와 같이 프레스장치(19)의 하부에 설치된 베드(11) 상측으로 리테이너(3)와 초박막 금속분리판 제조용 탄성체금형(9)을 설치하고, 프레스장치(19)의 상부 중앙에 설치된 메인실린더(8)에 의해 승강되도록 드로우벤딩용 상부금형(7)과 클램프실린더(14)에 의해 승·하강되도록 클램프(1)에 고정한 블랭크홀더(2)를 한 조로 하는 구성이다.

그리고 블랭크홀더(2)는 상부금형(7,18)의 소재방향을 제외한 모든 방향에 대하여 구속시키는 밀폐형이다.

초박막 금속분리판 제조용 상부금형(7,18)과 블랭크홀더(2)는 착탈이 가능하며, 소정의 패턴(유체가 흐를 수 있는 유로)이 상부금형(7,18) 표면에 형성된다.

상기 초박막 금속분리판 제조용 탄성체금형(9)은 베드(11)에 고정되는 리테이너(3)와 하부실린더(12)에 의해 승·하강되는 하부리테이너(10)를 한 조로 하는 구성이다.

그리고 리테이너(3)는 상부금형(7,18)에 의한 압착시 좌굴로 인하여 발생하는 주름을 억제하고, 블랭크홀더(2)와 금속박판(4)을 잡아주며, 탄성체금형(9)의 소재방향을 제외한 모든 방향에 대하여 구속시키는 밀폐형이다.

상기 하부실린더(12)는 상부금형(7,18)의 반복적인 가압에 의한 탄성체금형(9)의 두께감소 발생시 리테이너(3)와의 수평 높낮이를 일치시켜주어 탄성체금형(9) 교체시기를 연장시킬 수 있으며, 원활한 제품의 이송을 위하여 탄성체금형(9)의 승·하강을 돕는 역할을 한다.

상기 프레스장치(19)의 좌측에는 금속박판(4)이 프레스장치(19)로 원활히 이송될 수 있도록 입구 이송 및 평탄도 제어용 롤러(5)와 금속박판(4)가 성형될 시 금속박판(4)이 느슨해질 경우 회전시켜 텐션을 가하는 입구 장력 제어용 롤러(6)가 구성된다.

상기 프레스장치(19)의 우측에는 금속박판(4)이 느슨해질 경우 회전시켜 텐션을 가하는 출구 장력 제어용 롤러(13)와 트리밍 프레스장치(20)로 원활히 이송될 수 있도록 출구 이송 롤러(22)를 구성한다.

상기 트리밍 프레스장치(20)은 금속분리판(21)이 이송되어 일정한 형태로 절단되며, 상·하로 슬라이딩 되도록 트리밍프레스 메인실린더(15)가 구비된 트리밍프레스 상부금형(16)과 이를 받쳐주는 트리밍프레스 하부금형(17)을 한 조로 구성하여 불필요한 테두리 등을 잘라낼 수 있는 가공이 이루어지는 것이다.

도 2는 대면적 초박막 금속분리판 제조에 있어서 탄성체금형을 이용한 드로우벤딩 타입 성형방법을 나타낸 것이다.

상기 드로우벤딩 타입 성형방법은 도 2에서와 같이 프레스장치(19)의 클램프(1)에 고정된 블랭크홀더(2)가 클램프실린더(14)에 의해 하강되어 리테이너(3)와 함께 금속박판(4)을 고정한 후 드로우벤딩용 상부금형(7)이 메인실린더(8)에 의해 하강되어 금속박판(4)을 가압하면 드로우벤딩용 상부금형(7)의 표면에 형성된 소정의 패턴이 금속박판(4)에 미세채널(25)이 성형되고, 다시 메인실린더(8)에 의해 드로우벤딩용 상부금형(7)이 메인실린더(8)에 의하여 승강되고, 최종적으로 클램프실린더(14)에 의하여 블랭크홀더(2)가 승강되면서 연속적인 제품제조가 가능해진다.

도 3은 탄성제 프레스 금형을 이용한 대면적 초박막 금속분리판의 연속 제조방법에 대한 순서도를 도시한 것이다.

① 금속박판 이송단계

: 금속박판(4)을 입구 이송 및 평탄도 제어용 롤러(5)를 이용하여 프레스장치(19)로 이송한다.

② 성형단계

: 상기 프레스장치(19)로 이송된 금속박판(4)을 입·출구 장력 제어용 롤러(6,13)를 통해 금속박판(4)이 느슨해질 경우 회전시켜 텐션을 조절하며, 드로우벤딩용 상부금형(7) 또는 도 4와 도 5에 도시된 크래쉬포밍용 상부금형(18)을 이용하여 금속박판(4)을 압착하고, 프레스장치(19) 탄성체금형(9)의 반발력 즉 도 12과 같이 정수압에 의하여 금속박판이 가압 성형된다.

③ 트리밍 프레스장치로 이송단계

: 성형된 금속박판(4)을 출구 이송 롤러(22)를 이용하여 트리밍 프레스장치(20)로 이송한다.

④ 절단단계

: 상기 출구 이송 롤러(22)를 통해 이송된 금속박판(4)을 트리밍 프레스장치(20)를 이용하여 잘라내면 본 발명은 완성되며, 이와 같이 연속적으로 미새채널을 가진 대면적 초박막 금속분리판(21)을 생산해낼 수 있는 것이다.

도 4는 크래쉬포밍 타입 탄성체금형 연속 성형공정을 이용한 금속분리판(21) 제조방벙을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명에서 제공하는 크래쉬포밍 타입의 프레스장치 구성을 살펴보면 도 4에 도시된 바와 같이 베드(11) 상측으로 리테이너(3)와 초박막 금속분리판(21) 제조용 탄성체금형(9)을 설치한 구성은 도 1과 동일한 구성이나, 드로우벤딩용 상부금형(7)과 형상이 다르고 블랭크홀더(2)가 부착되지 않는 것이 특징이다.

도 5는 대면적 초박막 금속분리판 제조에 있어서 탄성체금형을 이용한 크래쉬포밍 타입 성형방법을 나타낸 것이다.

상기 크래쉬포밍 타입 성형방법은 도 5에서와 같이, 메인실린더(8)에 의해 크래쉬포밍용 상부금형(18)이 하강되어 금속박판(4)을 가압하여 미세채널(25)을 성형한 뒤 다시 메인실린더(8)에 의하여 크래쉬포밍용 상부금형(18)이 승강되어지면서 연속적인 제품제조가 가능해진다.

상기 금속분리판 제조방법으로는 입구 이송 및 평탄도 제어용 롤러(5)를 통하여 금속박판(4)을 프레스장치(19)로 이송시킨 후 입·출구 장력 제어용 롤러(6,13)로 이용하여 금속박판(4)이 느슨해질 경우 텐션을 가하고, 메인실린더(8)로 상부금형(7,18)을 하강시켜 금속박판(4)을 가압하면 탄성체금형(9)은 반발력에 의해 탄성 변형하며, 도 12와 같이 상부금형(7,18) 캐비티에 충진되어 금속박판(4)에 미세채널(25)이 형성되고, 성형된 금속박판(4)은 출구 이송 롤러(22)를 통하여 트리밍 프레스장치(20)로 이송된 후 제품의 불필요한 부분을 잘라냄과 동시에 제품에 필요한 홀 등을 가공하게 되는 것이다.

첨부한 도 6은 본 발명에 따른 드로우벤딩 타입 동하중 연속 성형공정을 이용한 금속분리판(21) 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 1에 도시된 하부리테이너(10)와 탄성체금형(9)의 구성을 변경한 것으로서, 도 6에 도시된 바와 같이 메인실린더(8)에 드로우벤딩용 상부금형(7)을 설치하며, 클램프실린더(14)에 의해 승·하강되도록 클램프(1)에 고정한 블랭크홀더(2)를 구성하고, 베드(11) 상측으로 리테이너(3)와 금속박판(4)에 미세채널(25)이 형성되도록 상부로 돌출되게 돌기를 형성한 스탬핑용 하부금형(23)으로 변경하여 설치 구성한다.

도 7은 크래쉬포밍 타입 동하중 연속 성형공증을 이용한 금속분리판(21) 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 4에 도시된 하부리테이너(10)와 탄성체금형(9)의 구성을 변경한 것으로서, 도 7에 도시된 바와 같이 프레스장치(19)의 상부에는 메인실린더(8)에 이용하여 상·하로 승강되는 크래쉬포밍용 상부금형(18)을 설치하고, 하부에는 베드(11) 상측으로 리테이너(3)와 금속박판에 미세채널(25)이 형성되도록 상부로 돌출되게 돌기를 형성한 스탬핑용 하부금형(23)으로 변경한 구성이다.

도 8에 도시된 바와 같이 상기 입구 이송 및 평탄도 제어용 롤러(5)는 제품 성형전 금속박판(4)의 평탄도를 제어하고 원활한 이송을 위하여 동일한 직경의 입구 이송 및 평탄도 제어용 롤러(5)를 상·하부에 배치시킨 구성으로 이루어진다.

또한, 출구 이송 롤러(22)는 도 9에 도시된 바와 같이 금속박판(4)의 이송시 성형된 미세채널(25)의 파손 우려가 있으므로 양 끝단부의 직경보다 중앙부의 직경을 작게 하여 상·하부에 배치시킨 구성으로 이루어진다.

상기 입구 이송 및 평탄도 제어용 롤러(5)와 출구 이송 롤러(22)는 고무재질로 구성되며, 프레스장치(19)와 트리밍 프레스장치(20)로 금속박판(4)을 이송시키는 역할을 한다.

도 1과 도 2에 도시한 바와 같이 상기 입·출구 장력 제어용 롤러(6,13)는 이송 및 가공 중에 금속박판(4)이 느슨해질 경우 입·출구 장력 제어용 롤러(6,13)를 회전시켜 금속박판(4)에 텐션을 제공해 가공 효율을 높일 수 있다.

도 10은 성형된 금속분리판(21)은 트리밍 프레스장치(20)를 이용하여 제품을 잘라내는 공정도를 나타낸 것이다.

상기 트리밍 프레스장치(20)는 트리밍프레스 상부금형(16)과 트리밍프레스 하부금형(17)을 한 조로 구성되며, 상기 트리밍프레스 상부금형(16)은 트리밍프레스 메인실린더(15)에 의하여 승·하강되도록 설치된다.

그리고 출구 이송 롤러(22)를 통해 이송된 금속분리판(21)의 불필요한 테두리 등을 잘라낼 수 있도록 트리밍프레스 상부금형(16)의 하부에 커팅부(26)를 형성하고, 트리밍프레스 하부금형(17)의 하부에는 커팅부(26)를 수용할 수 있는 공간부(27)를 형성한다.

즉, 출구 이송 롤러(22)를 통해 이송된 금속박판(4)은 트링밍 프레스장치의 트리밍프레스 상부금형(16)이 트리밍프레스 메인실린더(15)에 의해 하강하고, 상기 트리밍프레스 상부금형(16)의 커팅부(26)에 의해 금속박판(4)의 불필요한 부분을 잘라냄과 동시에 제품에 필요한 홈 등을 가공함으로써, 더욱 생산성을 향상시킬 수 있다.

도 11은 탄성체금형(9)을 이용한 금속분리판의 제조방법을 나타내는 공정도이다.

연속적으로 진행되는 프레스 성형은 탄성체금형(9) 상단부 표면에 올려진 금속박판(4)을 상부금형(7,18)이 가압시키면 리테이너(3) 내부에 설치되어 있는 탄성체금형(9)의 반발력으로 정수압이 형성되고, 상부금형 표면에 형성된 패턴으로 금속박판(4)가 밀착되어 성형하는 방법으로 낮은 하중에 의한 금속분리판(21) 제조가 가능하며, 유로의 점진적 성형에 따른 패턴 형상의 정밀도를 확보할 수 있는 장점이 있다.

도 12는 동하중 스탬핑을 이용한 금속분리판의 제조방법을 나타내는 공정도이다.

상기 탄성체금형(9)은 리테이너(3) 내부에 설치되고, 금속박판(4)은 입구 이송 및 평탄도 제어용 롤러(5)를 통해 탄성체금형(9) 상단부로 이송된 후 메인실린더(8)로 상부금형(7,18)을 하강시켜 금속박판(4)을 가압하면, 탄성체금형(9)은 반발력에 의해 탄성변형하며 금속박판(4)을 상부금형(7,18) 캐비티 내로 충진시켜 금속박판(4)에 미세채널(25)가 성형된다.

상기 탄성체금형(9)이 리테이너(3,10) 내부에 설치되어 하부금형의 역할을 대신함으로써, 금형 제작비를 현저히 줄일 수 있고, 패턴(24)의 형상정밀도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

즉, 사이클을 적용하여 반복적인 하중을 가하여 금속박판(4)에 미세채널(25)을 성형하는 방법으로 낮은 하중에 의한 금속분리판(21) 제조가 가능하며, 유로의 점진적 성형에 따른 패턴(24) 형상의 정밀도를 확보할 수 있는 장점이 있다.

도 13은 미세채널(25)을 가진 금속분리판(21)을 나타내는 평면도 및 미세채널의 단면도이다.

이는 상기와 같은 금속분리판(21)을 제조하는 상부금형(7,18) 설계함에 있어서, 도 8에 도시한 바와 같이 유로폭(0.3㎜~5.0㎜), 리브폭(0.3㎜~5.0㎜), 유로깊이(0.2㎜~5.0㎜), 어깨부곡률(0.1㎜~0.3㎜), 구배각(10˚~30˚)의 크기에 제약을 두지 않고 광범위하게 설정하여 다양한 패턴(24)의 미세채널(25)을 형성할 수 있도록 하는 것이 특징이다.

이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명에 의한 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서, 당 업계의 통상의 기술자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능할 것이다. 그리고 본 발명을 첨부한 특허 청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.

그리고 본 발명의 상세한 설명에는 구체적인 실시예를 관하여 설명하고 있는 바, 본 발명의 기술범위에 벗어나지 않는 범위 내에서 적정한 변형이 가능하다. 따라서 본 발명의 보호 범위는 이상의 명세서에 설명된 실시예에 국한되는 것은 아니며 후술하는 청구범위의 관련되는 균등수단에 대해서는 그 보호범위가 미친다고 할 것이다

1: 클램프 2: 블랭크홀더
3: 리테이너 4: 금속박판
5: 입구 이송 및 평탄도 제어용 롤러 6: 입구 장력 제어용 롤러
7: (드로우벤딩용) 상부금형 8: 메인실린더
9: 탄성체금형 10: 하부리테이너
11: 베드 12: 하부실린더
13: 출구 장력 제어용 롤러 14: 클램프실린더
15: 트리밍프레스 메인실린더 16: 트리밍프레스 상부금형
17: 트리밍프레스 하부금형 18: (크래쉬포밍용) 상부금형
19: 프레스장치 20: 트리밍 프레스장치
21: 금속분리판 22: 출구 이송 롤러
23: 스탬핑용 하부금형 24: 패턴
25: 미세채널 26: 커팅부
27: 공간부

Claims

탄성체 프레스 금형을 이용한 대면적 초박막 금속분리판의 제조방법에 있어서,
금속박판(4)을 입구 이송 및 평탄도 제어용 롤러(5)를 이용하여 프레스장치(19)로 이송하는 금속박판 이송단계;
상기 프레스장치(19)로 이송된 금속박판(4)을 입·출구 장력 제어용 롤러(6,13)를 통해 금속박판(4)이 느슨해질 경우 회전시켜 텐션을 조절하며, 상부금형(7,18)을 이용하여 금속박판(4)을 압착하고, 탄성체금형(9)의 반발력에 의하여 금속박판(4)을 가압 성형하는 성형단계;
가압 성형된 금속박판(4)을 출구 이송 롤러(22)를 이용하여 트리밍 프레스장치(20)로 이송하는 트리밍 프레스장치로 이송단계;
상기 출구 이송 롤러(22)를 통해 이송된 금속박판(4)을 트리밍 프레스장치를 이용하여 잘라내는 절단단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세채널을 가진 대면적 초박막 금속분리판의 제조방법.
탄성체 프레스 금형을 이용한 대면적 초박막 금속분리판의 제조장치에 있어서,
동일한 직경으로 상부와 하부에 나란히 설치되어 금속박판(4)의 평탄도를 제어하고 금속박판(4)을 프레스장치(19)로 이송하도록 설치된 입구 이송 및 평탄도 제어용 롤러(5)와;
하부에는 베드(11) 상측으로 리테이너(3)와 상·하로 승강되도록 하부실린더(12)에 하부리테이너(10) 및 탄성체금형(9)을 설치하고, 상부에는 메인실린더(8)에 의해 승강하는 상부금형(7,18)과 클램프실린더(14)에 의해 승강하는 클램프(1)를 구성하여 금속박판(4)을 가압 성형하는 프레스장치(19)와;
금속박판(4)을 가압 성형한 후 트리밍 프레스장치(20)로 원활히 이송될 수 있도록 구성된 출구 이송 롤러(22)와;
상부에는 트리밍프레스 메인실린더(15)에 의해 승강하는 트리밍프레스 상부금형(16)을 구성하고, 하부에는 트링밍프레스 하부금형(17)을 설치 구성하여 가압 성형된 금속박판(4)가 이송되어 일정한 형태로 절단하는 트리밍 프레스장치(20);로 이루어진 것을 특징으로 하는 미세채널을 가진 대면적 초박막 금속분리판의 제조장치.
청구항 2에 있어서,
상기 프레스장치(19)의 클램프(1)에는 상부금형(7,18)의 소재방향을 제외한 모든 방향에 대하여 밀폐되도록 블랭크홀더(2)를 구성한 것을 특징으로 하는 미세채널을 가진 대면적 초박막 금속분리판의 제조장치.
탄성체 프레스 금형을 이용한 대면적 초박막 금속분리판의 제조장치에 있어서,
동일한 직경으로 상부와 하부에 나란히 설치되어 금속박판(4)의 평탄도를 제어하고 금속박판(4)을 프레스장치(19)로 이송하도록 설치된 입구 이송 및 평탄도 제어용 롤러(5)와;
하부에는 베드(11) 상측으로 리테이너(3)와 하부실린더(12)에 의해 승강하는 금속박판(4)에 미세채널(25)이 형성되도록 상부 표면에 돌기를 형성한 스탬핑용 하부금형(23)을 설치 구성하고, 상부에는 메인실린더(8)에 의해 승강하는 상부금형(7,18)과 클램프실린더(14)에 의해 승강하는 클램프(1)를 구성하여 금속박판(4)을 가압 성형하는 프레스장치(19)와;
금속박판(4)을 가압 성형한 후 트리밍 프레스장치(20)로 원활히 이송될 수 있도록 구성된 출구 이송 롤러(22)와;
상부에는 트리밍프레스 메인실린더(15)에 의해 승강하는 트리밍프레스 상부금형(16)을 구성하고, 하부에는 트링밍프레스 하부금형(17)을 설치 구성하여 가압 성형된 금속박판(4)가 이송되어 일정한 형태로 절단하는 트리밍 프레스장치(20);로 이루어진 것을 특징으로 하는 미세채널을 가진 대면적 초박막 금속분리판의 제조장치.
청구항 4에 있어서,
상기 프레스장치(19)의 클램프(1)에는 상부금형(7,18)의 소재방향을 제외한 모든 방향에 대하여 밀폐되도록 블랭크홀더(2)를 구성한 것을 특징으로 하는 미세채널을 가진 대면적 초박막 금속분리판의 제조장치.
청구항 2 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
상기 프레스장치(19)의 양측에는 이송 및 가공 중에 금속박판(4)이 느슨해질 경우 회전시켜 금속박판(4)에 텐션을 제공하여 가공 효율을 높일 수 있는 입·출구 장력 제어용 롤러(6,13)를 더 구성한 것을 특징으로 하는 미세채널을 가진 대면적 초박막 금속분리판의 제조장치.
청구항 2 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
상기 프레스장치(19)에 설치되고 금속분리판(21)을 제조하는 상부금형(7,18)의 설계는 유로폭(0.3㎜~5.0㎜), 리브폭(0.3㎜~5.0㎜), 유로깊이(0.2㎜~5.0㎜), 어깨부곡률(0.1㎜~0.3㎜), 구배각(10˚~30˚)의 크기로 설정하여 패턴(24)의 미세채널(25)을 형성하는 것을 특징으로 하는 미세채널을 가진 대면적 초박막 금속분리판의 제조장치.
청구항 2 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
상기 출구 이송 롤러(22)는 롤러 중앙부 직경을 양 끝단부 직경보다 작게 하여 금속분리판(21)이 트리밍 프레스장치(20)로 이송될 때 제조된 미세채널(25)에 변형이 발생하지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 미세채널을 가진 대면적 초박막 금속분리판의 제조장치.
청구항 2 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
상기 상부금형(7,18)에 의한 압착시 좌굴(挫屈)로 인하여 발생하는 주름을 억제하기 위하여 상기 리테이너(3)는 블랭크홀더(2)와 함께 금속박판(4)을 고정시켜주며, 탄성체금형(9)을 소재방향을 제외한 모든 방향에 대해서는 구속하는 밀폐형인 것을 특징으로 하는 미세채널을 가진 대면적 초박막 금속분리판의 제조장치.
청구항 2 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
상기 트리밍 프레스장치(20)는 출구 이송 롤러(22)를 통해 이송된 금속분리판(21)의 불필요한 테두리 등을 잘라낼 수 있도록 트리밍프레스 상부금형(16)의 하부에 커팅부(26)를 형성하고, 트리밍프레스 하부금형(17)의 하부에는 커팅부(26)를 수용할 수 있는 공간부(27)를 형성한 것을 특징으로 하는 미세채널을 가진 대면적 초박막 금속분리판의 제조장치.
청구항 2 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
상기 금속박판(4)은 알루미늄, 티타늄, 스테인리스강 중 어느 하나를 선택하여 제작 구성한 것을 특징으로 하는 미세채널을 가진 대면적 초박막 금속분리판의 제조장치.
청구항 2 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
상기 하부실린더(12)는 상부금형(7,18)의 반복적인 가압에 의한 탄성체금형(9)의 두께감소 발생시 리테이너(3)와의 수평 높낮이를 일치시켜주어 탄성체금형(9) 교체시기를 연장시킬 수 있으며, 원활한 제품의 이송을 위하여 탄성체금형(9)의 승·하강을 돕는 역할을 하는 것을 특징으로 하는 미세채널을 가진 대면적 초박막 금속분리판의 제조장치.
청구항 2 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
상기 메인실린더(8)는 상부금형(7,18)의 반복적인 하중제어를 이용해 낮은 하중에서도 미세패턴의 정확도 및 균일도를 확보할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 미세채널을 가진 대면적 초박막 금속분리판의 제조장치.